南科大《CoCo》綜述：連續纖維增強復合材料增材制造中的設計機遇和創新應用
時間：2022-01-13 11:05 來源：復合材料力學 作者：admin 閱讀：次
增材制造技術因能快速、高效地創造具有多種材料、復雜結構和集成功能的產品而廣受關注。該變革技術的發展也為連續纖維增強聚合物復合材料制造領域帶來了新機遇。然而，現有研究工作大多專注于工藝和設備開發，尚未充分和系統地利用連續纖維增強聚合物復材增材技術(Continuous
Fiber Reinforced Polymer Composite- Additive Manufacturing,
CFRP-AM)所帶來的新型設計空間以實現產品創新與應用。針對該現狀，南方科技大學熊異、周利民教授團隊近日在《Composites
Communications》上發表了題為“Additive manufacturing of continuous fiber
reinforced polymer composites: Design opportunities and novel
applications”的研究綜述論文，對連續纖維增強聚合物復材增材制造中的設計機遇和創新應用進行了系統性梳理，闡明了該研究領域的當前進展和未來發展趨勢。該文從共性功能需求出發總結現有CFRP-AM技術，提出面向連續纖維增強復材增材設計的核心概念，重點圍繞材料、工藝和結構等設計域明晰設計問題及求解思路，展望了通過CFRP-AM技術賦能的智能可變體、智能傳感、能量存儲以及超材料等創新應用。
1.面向連續纖維增強復材增材設計
同傳統制造工藝（如RTM、FW、ATP/AFP等）相比，CFRP-AM采用離散-堆積原理，極大地增加了連續纖維增強復合材料的設計自由度，允許逐點、逐域控制纖維分布、方向等設計變量以滿足更為復雜的性能需求。如圖1所示，CFRP-AM的設計空間可劃分為材料、工藝、結構等三個設計域。設計域具有高維度和強耦合等特征，即性能目標受大量設計參數影響且參數間存在相互關聯作用。上述挑戰要求面向連續纖維增強復材增材設計方法必須采用多學科協同優化思想，在考慮制造約束的情況下，圍繞材料-工藝-結構-性能映射關系，最大化復材增材的多性能設計目標。
2.CFRP-AM技術
2.1.CFRP-AM技術功能結構
如圖2所示，CFRP-AM技術的功能結構同常規增材制造工藝相似，但對材料存儲、材料輸入和界面粘合方面存在獨特需求。工程師可以將此功能結構框圖同形態功能學矩陣結合作為概念設計工具以指導發明新的CFRP-AM工藝。
其中，聚合物基體和增強纖維之間的粘合是最關鍵的子功能。圖3歸納了三種CFRP-AM中纖維與基體粘合的方法：1)預浸漬法、2)在線浸漬法和3)原位浸漬法。對于預浸漬，基體和增強材料分別制備為絲材（圖 3 (a)）、帶材（圖 3 (b)）和片材（圖 3 (c)）形式的預浸料。對于原位浸漬，干纖維或帶有預浸潤的纖維在噴嘴內共擠出，如圖 3（d）和（e）所示。進料機構可以基于齒輪、柱塞或螺桿等方式。另外，也可以采用如圖3（f）所示的在線浸漬方法。
2.2.CFRP-AM技術分類
盡管國際標準定義有七類增材制造技術，常用于CFRP復材增材制造的主要包含材料擠出（ME）、定向能量沉積（DED）和分層實體制造（LOM）等三類技術。
2.2.1.材料擠出技術
材料擠出技術由于工作原理簡單、生產成本較低，是目前應用最為廣泛的纖維增強聚合物復材增材技術。相關設備僅需對噴嘴作簡要改變，如換用耐磨材料和優化內部腔道，即可實現短切纖維增強的聚合物復材加工。然而，針對連續纖維增強復合材料加工，設備的軟、硬件必須重新設計，如增加纖維進料口、纖維切斷機構等。值得注意的是一些創新解決方案，如體積材料供應、快速加熱、預熱、涂膠、高壓浸漬和超聲輔助浸漬等也已被用來進一步提高制造效率、精度和質量。如圖4所示，采用三維 (3D) 微波原理的連續纖維增強聚合物復材增材技術能大幅提高打印速度。
2.2.2.定向能沉積技術
如圖5所示，定向能沉積技術也被用于CFRP-AM，通過同步移動材料和能量源以實現結構件成型。該技術用聚焦熱源(如激光)熔融原料，并將原料直接送到熔池，而非材料擠出技術中的噴嘴內熔化。定向能沉積技術還可同二次工藝結合，利用輥、輪等對已沉積層進行壓實，以消除空洞等缺陷，實現界面質量的提高。DED技術可用于制造中、大型復合材料構件，并且高效的能源利用使其具有相當高的沉積速率。此外，集中的能量源使該工藝適用于高性能工程塑料的加工。由于這類材料具有較高的熔融溫度和粘度，很難通過材料擠出制造。盡管DED過程在某些方面同ATP/AFP過程類似，但其可以制備出曲率更大、特性更復雜的CFRP復合材料。
2.2.3.分層實體制造技術
圖6所示為典型的LOM工藝示意圖。該技術將預浸料片作為原料材料切割、堆疊、粘合以形成三維實體。由于LOM工藝原理獨特，僅需處理形狀輪廓而非整個橫截面區域，因此能實現高效制造。另外，采用傳統方法制備的預浸料使得制成件具有較高纖維體積分數和較強纖維-基質界面。
3.CFRP-AM設計機遇
相較于傳統制造方法，CFRP-AM的設計涉及材料、工藝和結構等設計域的變量，極大地拓展了復材構件的設計空間。本章節系統地總結了每個設計領域的計劃，并明晰相應的設計策略，以充分挖掘和利用這一新穎的設計空間。
在CFRP-AM中，基體、增強材料和添加劑材料的選擇范圍很廣。圖8總結了常用材料及其力學性能。其中，基體材料主要包含熱塑性和熱固性樹脂，例如ABS、PLA、PC、TPU、PETG、PEEK等。增強材料主要有碳纖維，玻璃纖維，Kevlar纖維，天然黃麻纖維以及金屬纖維。添加劑主要包括碳納米管（CNTs）、石墨烯納米鍵(GNPs)和氨基（NH2-）等。此外，CFRP-AM還需要仔細考慮基體和增強材料彼此的熱、物理和化學性能。表1給出了不同3D打印技術所制造的CFRP復合材料的力學性能。
3.2.工藝設計
3.2.1.軌跡規劃
纖維力學性能的各向異性使得纖維排鋪軌跡規劃成為決定構件整體性能一個關鍵因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纖維布局主要是通過對材料擠出工藝中直線、鋸齒、輪廓、蜂窩等簡單填充圖案進行修改而得來。后續研究逐漸考慮小轉角、大曲率半徑等工藝約束帶來的打印缺陷，對纖維路徑進行了改進以減少纖維剪斷頻率，并避免尖角轉彎。同時，優化了打印間隔和重疊比以避免材料溢出和孔隙等問題。此外，希爾伯特、螺旋曲線等復雜的填充圖案和計算幾何中的經典算法，如歐拉路徑和中國郵差問題也被用于纖維路徑的軌跡規劃研究。
近期的研究主要聚焦于通過計算設計方法實現不同工況下更為復雜纖維鋪排路徑的自動化生成方法，以獲得力學性能更為優異的復材構件。該方法的核心是基于以有限元法等為代表的數值分析方法以確定局部的纖維方向和體積分數。該方法首先以具有單一纖維取向和均勻纖維體積分數的復合材料作為初始設計。然后，在給定邊界和荷載條件下，通過數值方法分析該初始設計。通過對分析結果中荷載傳遞情況的觀察，根據不同的設計準則來更新復合材料中的局部纖維軌跡。常用的設計準則包括流體流線(見圖9 (a))、主應力跡線(見圖9 (b)和(c))、指定應力矢量(見圖9 (d))、剛度衰減矢量以及混合方法。根據設計中是否需要持續迭代，該方法可進一步劃分為一次性和多次迭代兩種類型。一次性法在不考慮更新設計與初始設計之間差異的情況下，對纖維排鋪僅按上述設計準則進行更新。而迭代法則持續該過程，反復更新設計并分析結果，對比實際性能和預期性能的差異，直到達到收斂限，完成優化。
伴隨多軸CFRP-AM技術的日趨成熟，實現3維空間打印軌跡以取代現有2.5維空間打印軌跡已成為可能。如圖10 (a)所示，額外的制造自由度允許使用曲面對模型進行切片以增加層間接觸面積，實現層間結合力的提高。同時，打印方向由單一方向變為多個方向可以減少復合材料各向異性。此外，多軸沉積還能通過優化關鍵功能表面的打印路徑來減小階梯效應，提高表面光潔度，如圖10 (b)所示。另外，3D打印軌跡被優化以避免跳躍掃描以及減少后處理的工作量。
1.面向連續纖維增強復材增材設計
同傳統制造工藝（如RTM、FW、ATP/AFP等）相比，CFRP-AM采用離散-堆積原理，極大地增加了連續纖維增強復合材料的設計自由度，允許逐點、逐域控制纖維分布、方向等設計變量以滿足更為復雜的性能需求。如圖1所示，CFRP-AM的設計空間可劃分為材料、工藝、結構等三個設計域。設計域具有高維度和強耦合等特征，即性能目標受大量設計參數影響且參數間存在相互關聯作用。上述挑戰要求面向連續纖維增強復材增材設計方法必須采用多學科協同優化思想，在考慮制造約束的情況下，圍繞材料-工藝-結構-性能映射關系，最大化復材增材的多性能設計目標。
圖 1. 面向連續纖維增強復材增材的設計域及相關方法
2.CFRP-AM技術
2.1.CFRP-AM技術功能結構
如圖2所示，CFRP-AM技術的功能結構同常規增材制造工藝相似，但對材料存儲、材料輸入和界面粘合方面存在獨特需求。工程師可以將此功能結構框圖同形態功能學矩陣結合作為概念設計工具以指導發明新的CFRP-AM工藝。
圖 2. CFRP-AM技術的功能結構及其同常規增材制造的區別
其中，聚合物基體和增強纖維之間的粘合是最關鍵的子功能。圖3歸納了三種CFRP-AM中纖維與基體粘合的方法：1)預浸漬法、2)在線浸漬法和3)原位浸漬法。對于預浸漬，基體和增強材料分別制備為絲材（圖 3 (a)）、帶材（圖 3 (b)）和片材（圖 3 (c)）形式的預浸料。對于原位浸漬，干纖維或帶有預浸潤的纖維在噴嘴內共擠出，如圖 3（d）和（e）所示。進料機構可以基于齒輪、柱塞或螺桿等方式。另外，也可以采用如圖3（f）所示的在線浸漬方法。
圖 3. 纖維與基質粘合的不同解決方案
2.2.CFRP-AM技術分類
盡管國際標準定義有七類增材制造技術，常用于CFRP復材增材制造的主要包含材料擠出（ME）、定向能量沉積（DED）和分層實體制造（LOM）等三類技術。
2.2.1.材料擠出技術
材料擠出技術由于工作原理簡單、生產成本較低，是目前應用最為廣泛的纖維增強聚合物復材增材技術。相關設備僅需對噴嘴作簡要改變，如換用耐磨材料和優化內部腔道，即可實現短切纖維增強的聚合物復材加工。然而，針對連續纖維增強復合材料加工，設備的軟、硬件必須重新設計，如增加纖維進料口、纖維切斷機構等。值得注意的是一些創新解決方案，如體積材料供應、快速加熱、預熱、涂膠、高壓浸漬和超聲輔助浸漬等也已被用來進一步提高制造效率、精度和質量。如圖4所示，采用三維 (3D) 微波原理的連續纖維增強聚合物復材增材技術能大幅提高打印速度。
圖 4.（左）連續碳纖維增強熱塑性復合材料的3D微波打印工藝；（右）3D微波打印機
2.2.2.定向能沉積技術
如圖5所示，定向能沉積技術也被用于CFRP-AM，通過同步移動材料和能量源以實現結構件成型。該技術用聚焦熱源(如激光)熔融原料，并將原料直接送到熔池，而非材料擠出技術中的噴嘴內熔化。定向能沉積技術還可同二次工藝結合，利用輥、輪等對已沉積層進行壓實，以消除空洞等缺陷，實現界面質量的提高。DED技術可用于制造中、大型復合材料構件，并且高效的能源利用使其具有相當高的沉積速率。此外，集中的能量源使該工藝適用于高性能工程塑料的加工。由于這類材料具有較高的熔融溫度和粘度，很難通過材料擠出制造。盡管DED過程在某些方面同ATP/AFP過程類似，但其可以制備出曲率更大、特性更復雜的CFRP復合材料。
圖 5. 用于CFRP-AM的定向能沉積技術
2.2.3.分層實體制造技術
圖6所示為典型的LOM工藝示意圖。該技術將預浸料片作為原料材料切割、堆疊、粘合以形成三維實體。由于LOM工藝原理獨特，僅需處理形狀輪廓而非整個橫截面區域，因此能實現高效制造。另外，采用傳統方法制備的預浸料使得制成件具有較高纖維體積分數和較強纖維-基質界面。
圖 6. 用于CFRP-AM的激光輔助分層實體制造技術
3.CFRP-AM設計機遇
相較于傳統制造方法，CFRP-AM的設計涉及材料、工藝和結構等設計域的變量，極大地拓展了復材構件的設計空間。本章節系統地總結了每個設計領域的計劃，并明晰相應的設計策略，以充分挖掘和利用這一新穎的設計空間。
圖 7. 第3節的層次關系
3.1.材料設計在CFRP-AM中，基體、增強材料和添加劑材料的選擇范圍很廣。圖8總結了常用材料及其力學性能。其中，基體材料主要包含熱塑性和熱固性樹脂，例如ABS、PLA、PC、TPU、PETG、PEEK等。增強材料主要有碳纖維，玻璃纖維，Kevlar纖維，天然黃麻纖維以及金屬纖維。添加劑主要包括碳納米管（CNTs）、石墨烯納米鍵(GNPs)和氨基（NH2-）等。此外，CFRP-AM還需要仔細考慮基體和增強材料彼此的熱、物理和化學性能。表1給出了不同3D打印技術所制造的CFRP復合材料的力學性能。
圖 8. 用于CFRP-AM的材料及其力學性能
表 1 不同CFRP-AM制造技術的復合材料力學性能比較 (連續碳纖維：CCF；連續玻璃纖維：CGF；連續Kevlar纖維：CKF；光固化技術：SLA；墨水直寫技術：DIW)
3.2.工藝設計
3.2.1.軌跡規劃
纖維力學性能的各向異性使得纖維排鋪軌跡規劃成為決定構件整體性能一個關鍵因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纖維布局主要是通過對材料擠出工藝中直線、鋸齒、輪廓、蜂窩等簡單填充圖案進行修改而得來。后續研究逐漸考慮小轉角、大曲率半徑等工藝約束帶來的打印缺陷，對纖維路徑進行了改進以減少纖維剪斷頻率，并避免尖角轉彎。同時，優化了打印間隔和重疊比以避免材料溢出和孔隙等問題。此外，希爾伯特、螺旋曲線等復雜的填充圖案和計算幾何中的經典算法，如歐拉路徑和中國郵差問題也被用于纖維路徑的軌跡規劃研究。
近期的研究主要聚焦于通過計算設計方法實現不同工況下更為復雜纖維鋪排路徑的自動化生成方法，以獲得力學性能更為優異的復材構件。該方法的核心是基于以有限元法等為代表的數值分析方法以確定局部的纖維方向和體積分數。該方法首先以具有單一纖維取向和均勻纖維體積分數的復合材料作為初始設計。然后，在給定邊界和荷載條件下，通過數值方法分析該初始設計。通過對分析結果中荷載傳遞情況的觀察，根據不同的設計準則來更新復合材料中的局部纖維軌跡。常用的設計準則包括流體流線(見圖9 (a))、主應力跡線(見圖9 (b)和(c))、指定應力矢量(見圖9 (d))、剛度衰減矢量以及混合方法。根據設計中是否需要持續迭代，該方法可進一步劃分為一次性和多次迭代兩種類型。一次性法在不考慮更新設計與初始設計之間差異的情況下，對纖維排鋪僅按上述設計準則進行更新。而迭代法則持續該過程，反復更新設計并分析結果，對比實際性能和預期性能的差異，直到達到收斂限，完成優化。
圖 9.纖維路徑優化方法:(a)流體流線；(b)-(c)主應力；(d)指向應力矢量
伴隨多軸CFRP-AM技術的日趨成熟，實現3維空間打印軌跡以取代現有2.5維空間打印軌跡已成為可能。如圖10 (a)所示，額外的制造自由度允許使用曲面對模型進行切片以增加層間接觸面積，實現層間結合力的提高。同時，打印方向由單一方向變為多個方向可以減少復合材料各向異性。此外，多軸沉積還能通過優化關鍵功能表面的打印路徑來減小階梯效應，提高表面光潔度，如圖10 (b)所示。另外，3D打印軌跡被優化以避免跳躍掃描以及減少后處理的工作量。
圖 10. (a)單層單向正弦曲面及其內部結構的3D打印CFRP復合材料試樣；(b)針對復雜物體的非正交打印策略，以緩和階梯效應，提高表面質量
(責任編輯：admin)
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